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Elektromobilität Applikationsspezifische Komponenten für kompakte und sichere On-Board-Charger

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Elektromobile wollen geladen werden – und wenn das Ladesystem an Bord sein soll, muss es besonders kompakt und sicher sein. Applikationsspezifisch entwickelte Komponenten machen's möglich.

Anbieter zum Thema

TRACO ELECTRONIC GMBH
Bicker Elektronik GmbH
RECOM Power GmbH
TDK Electronics AG

Finepower hat einen sehr kompakten Prototypen für einen On-Board Charger (OBC) entwickelt. Das auf Spezifikationen und technischen Rahmenbedingungen der deutschen Automobilindustrie basierende Gerät bietet einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Beides sind wichtige Eigenschaften für den Einbau des OBC in Elektrofahrzeuge. Die platzsparende Bauweise des Ladesystems wurde durch applikationsspezifisch entwickelte Drosseln und Übertrager ermöglicht, die alle gemäß den Spezifikationen für Zuverlässigkeitstests AEC-Q200 qualifiziert sind. Es handelt sich dabei um Bauelemente von EPCOS und TDK Schlüsselfunktionen. Dazu zählen neben Induktivitäten und Übertragern auch Kondensatoren und Schutzbauelemente.

Ein Varistor schützt den Netzeingang vor Überspannungen

Ein Varistor des Typs B72220F0271K101 schützt den Netzeingang des Wandlers vor Überspannungen. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen wurde die mechanische Stabilität des Varistors mit einer speziellen Beschichtung merklich verbessert. Zur Begrenzung der hohen Einschaltströme dient der ICL B57364S1509M. Zur Gewährleistung der EMV und für die EMI-Befilterung griffen die Entwickler auf Standard-Drosseln von EPCOS zurück, wie sie auch in industriellen Stromversorgungen verwendet werden. Bei den X2-Kondensatoren wurden die Typen B32933C3155M der Heavy-Duty-Serie gewählt, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auszeichnen. Der Zwischenkreis wird mit Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren stabilisiert – die dazu verwendeten Typen sind B43508-B5337M bzw. B43504B5337M+. Sie bieten bei einer Nennspannung von 450 VDC eine Kapazität von 330 μF. Parallel dazu werden Mega Cap CKG57NX7R2J474MT geschaltet, die den ESR verringern. Nur so ist es möglich, den Zwischenkreis trotz hoher Leistungsdichte sehr kompakt zu halten.

Spezielles PFC-Konzept steigert den Wirkungsgrad

Bei der Entwicklung wurde besonderes Augenmerk auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Ladegeräts gelegt. Um die maximal mögliche Leistung aus dem Netz zu entnehmen, muss das Gerät eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) besitzen. Sie richtet zum einen die Wechselspannung aus dem Netz gleich und erzeugt einen internen Zwischenkreis von 400 VDC, der die eigentliche Ladeschaltung versorgt. Zum verbreiteten Stand der Technik gehören hier PFC-Schaltungen, die auf dem Hochsetzsteller-Prinzip basieren.

Quellen für Verluste bei der Umwandlung der Netzspannung in den 400-V-Zwischenkreis sind:

  • EMI-Filter (Kupferverluste),
  • Brückengleichrichter,
  • PFC-Drossel,
  • Leistungsschalter (MOSFET),
  • PFC-Diode,
  • Sonstige Verluste etwa durch Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren im Zwischenkreis, den Shunt etc.

Mit der konventionellen Lösung ergibt sich bei einer Eingangsspannung von 230 VAC je nach Auslegung und Optimierung ein Wirkungsgrad zwischen 96% und 97%. Bei einer aufgenommenen Leistung von 3,65 kW bedeutet dies, dass zwischen 110 und 146 W der zugeführten Leistung in Verlustwärme umgewandelt werden, bevor sie am Zwischenkreis zur Verfügung steht. Um diese Nachteile möglichst zu eliminieren, nutzt Finepower das synchrone Interleaved-PFC-Verfahren.

Diese Topologie arbeitet mit zwei PFC-Stufen, die parallel auf den gemeinsamen Ausgang geschaltet werden. Damit kann der nachteilige Effekt, wenn nur eine PFC-Drossel den vollen Last- und damit auch Ripple-Strom trägt, bereits halbiert werden. Zwar werden im Interleaved-Verfahren zwei Drosseln benötigt, aber sie können für jeweils den halben Strom (8 ARMS bzw. 22 APK) dimensioniert werden. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung. Angewendet wird dabei ein sehr kompaktes Design aus der neu entwickelten E-Mobility-Plattform von PFC-Drosseln.

Die PFC-Drosseln eignen sich hervorragend für diese Applikation, da durch das geringe Volumen, spezielles Kernmaterial und den Einsatz einer HF-Litze als Wicklung nur geringe Verluste entstehen. Bild 3 zeigt das Prinzip der Überlagerung beider Drosselströme.

DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad

Gespeist mit der geregelten und stabilisierten Zwischenkreisspannung von 400 VDC muss der DC/DC-Wandler die Ladespannung für die Batterie mit sicherer galvanischer Trennung vom Netz zur Verfügung stellen. Je nach Ausführung und Ladezustand der Batterie ist der Bereich für die mögliche Ausgangsspannung des OBC auf 200 bis 420 VDC festgelegt. Sowohl der Ladestrom als auch die Ladeschlussspannung müssen sich über die Kommunikationsschnittstelle des Geräts (CAN-Bus) programmieren und kontrollieren lassen.

Um die Gesamtverluste des OBC zu minimieren, muss auch der DC/DC-Wandler einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Wegen der notwendigen sicheren galvanischen Trennung in dieser Schaltstufe kann deren Wirkungsgrad nicht ganz so hoch ausfallen wie bei der PFC-Stufe. Nach heutigem Stand der Technik werden die höchsten Wirkungsgrade bei isolierten DC/DC-Wandlern mit resonanten Brückentopologien erreicht. Im Wesentlichen kommen hier Phase Shifting Converter oder sogenannte LLC-Schaltungen in Frage. Bei beiden Verfahren werden die Transistoren immer dann eingeschaltet, wenn die Drain-Source-Spannung Null geworden ist und damit die Verluste in den Halbleitern sehr gering sind.

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